BIM技术在建筑模型设计与优化中的应用研究

蒋 玉 杨 钊 张 洁 者开勇

（保山学院工程技术学院，云南 保山 678000）

BIM即Building Information Modeling（建筑信息模型）。在以信息为核心技术的信息时代，建筑行业也必须与时俱进，BIM技术就是建筑行业应随时代信息化诞生的产物。它将传统建筑几何模型赋予数据信息，运用信息集成技术把结构构件、构件属性进行重新定义，建立完全数据化的信息模型。与传统技术相比，运用BIM技术进行参数化、标准化、模块化设计能够大幅提升设计效率和设计质量，减少“错、漏、碰、缺”，降低项目成本。对于建筑行业来说，BIM技术的提出与运用是继CAD技术之后的一次重大“工业革命”，在现代建筑工程项目上，起到了举足轻重的作用。

1 设计阶段BIM技术的应用特点

目前国内在设计阶段大部分采用逆向设计，运用Autodesk Revit软件基于二维设计图建立三维信息模型。翻模阶段BIM技术的应用有以下几个特点[1]：

1.1 可视化设计

建筑随着时代的发展，要求愈来愈高，现代建筑设计的复杂度不断提升，给设计人员带来了诸多挑战。通过在设计阶段中应用BIM技术，能够将复杂的二维轴向线条加上竖向维度以立体清晰的三维信息模型方式呈现出来，“所见即所得”提供视觉上的参考，减少二维的设计盲区，提高设计的完整度和精细度。

1.2 碰撞检测

在以往对各专业的设计进行碰撞检查时，传统方法是将各个专业的设计图纸用硫酸纸打印成图，将图纸相互叠放，选择公共的参照基点进行对照、检查，全部由人工完成。这种工作的方式不仅效率低，而且存在很多的思维盲区，图纸检查的精度和准确性也很难保证。随着计算机平面辅助设计软件的应用，设计人员利用计算机对二维电子图纸进行审查，在一定程度上使图纸的准确性大大提高，但仍需人工操作。由于都是平面信息，对检查人员空间想象能力有较高要求，特别是对于形体复杂的建筑，受到二维图纸局限性的约束加上长时间的校核工作会消耗大量的精力，极易造成思维想象疲劳，校核过后的设计图纸“错、漏、碰、缺”现象仍是不能避免的[2]。利用Revit软件进行全专业建模，土建建模过程可以实现虚拟建造，机电建模过程可以实现预安装，建立的模型与实物能够达到1:1仿真的效果，将不同专业的信息模型通过链接功能整合到同一模型中，在软件中输入碰撞原则，运行碰撞检查程序，选择要进行碰撞检查的图元，软件会在模拟的三维空间下进行检查，最后会自动生成检查报告。根据报告进行人工校核，提前发现设计中的“错、漏、碰、缺”进行及时纠正，避免后期的各种矛盾冲突，最大程度防控安全隐患。

1.3 可出图性

采用传统的二维设计时，一个专业的小小改动都将造成其他相关专业图纸大量的修改，整个设计工作繁琐且耗时甚多。BIM技术的参数化设计[3]能够将模型中的各项信息数据很好的关联在一起，使得模型中任意构件的信息更改都能反馈到受影响的构件中，自动更新整个模型，不需要再独立更改重新建立模型以实现“牵一发而动全身”，让模型具有100%正确的几何形体和100%正确的数据信息。真实的BIM模型可直接指导施工，在模型中可任意截取平面二维图纸，快速生成平面、立面、剖面等图纸。

2 BIM逆向设计思路

逆向设计的核心在于翻模，根据已有的二维设计成果（设计说明、CAD平面图纸、）运用建模软件Revit创建全专业三维BIM模型，利用BIM技术反向查验，解决图纸中错、漏、碰、缺等问题，对设计成果进行优化[4]，提升设计质量，减少后期施工中不必要的麻烦，具体流程如图1所示。

图1 BIM翻模流程图

3 Revit建模流程

3.1 工程概况

万科七宝53#项目是区域性综合型购物中心，位于上海市七宝镇七宝商业中心地段。用地面积为48 932 m2，总建筑面积239 526 m2（其中地上127 750 m2，地下111 776 m2），地上部分全为商业空间，具有多种业态形式。地下一层一部分为商业空间，同北侧9号线、西侧17号线地铁相连交汇。地下一层剩余部分以及地下二、三层为地下停车库和必要的设备用房、库房、后勤用房。该项目作为大型商业项目，功能繁多复杂，加上项目时间的约束，给设计工作带来一定的难度。

3.2 建模基础准备

3.2.1 图纸处理

CAD二维图纸由于数据缺乏关联，各专业信息较分散孤立，在传递中极易造成信息数据的传输丢失、错误。在翻模之前首先要对图纸进行审阅，审阅内容包括建筑部分的建筑面积、方位等，结构部分的位置、尺寸、材料等，以及机电安装的位置、管线综合等各个方面。找出图纸中标注不明确，连接部分存在的问题，与设计内容进行校对，补全、更正信息数据，保证BIM模型的准确性[5]。

3.2.2 建模标准规范化

全专业模型涉及多个专业，信息数据繁多细致，建模过程中要面面俱到，需要统一建模规则，做到主次分明，将纵横交贯的各类信息数据对号入座，保证BIM模型精确性。

3.2.2.1 二维图纸的导入[6]

在Revit软件中，导入CAD图纸有直接导入和链接导入两种操作方式。通过将CAD图纸导入Revit，在绘制轴网时方便对照和提高轴网建立的效率和准确性。本案例采用链接导入CAD图纸的方式，统一导入单位、定位方式，使用毫米为导入单位、自动−原点到原点为定位方式。为了避免因制图不规范，图纸原点不统一导致后期模型整合出错，可以使用Revit软件中自带的项目基点，手动移动图纸位置，保证图纸定位能够精确统一。

3.2.2.2 标高、轴网的绘制

首先建立标高再绘制轴网，“先轴网后标高”的顺序最大程度保障了轴网的完整。相应的标高轴网一般可用于整个项目图纸，所以准确性十分重要，模型的标高具有唯一性，多个专业建立的标高必须保证一致，避免后期进行整合交互碰撞检测时造成混淆。绘制完成后务必将标高、轴网锁定，以防止被移动，影响模型的准确性。标高轴网的建立以及建筑构件的建立遇到特殊尺寸时可通过参照平面以及参照线辅助完成，建立完成应删除干净，辅助线、面的存在可能会影响之后的模型建立。

3.2.2.3 模块化建模

大型项目复杂度高，在Revit建模过程中随着图元文件的累加会降低计算机运行速度，影响建模效率。根据项目的实际情况，可以按地上、地下工程、楼层以及专业等分块，分别建立模型，最后进行组装，有效提升建模效率。

3.3 建立建筑模型

建筑设计为其他专业设计的领头羊，根据建筑施工图创建的建筑模型自然也就是其他专业模型相互协调配合的核心模型。本工程按地上、地下部分分割图纸，根据图纸中的各项数据信息，分别建立地上、地下工程的建筑模型。建筑模型包括门窗、墙体、自动扶梯、栏杆、建筑楼地面、屋顶等构件。建立的建筑模型如图2所示。

图2 建筑模型

3.3.1 墙体、门窗的建立

标高轴网建立完成后，在对应位置建立相应的墙体，建立墙时，根据图纸需要的墙体设置厚度和材质，保温隔热层的材质，以及颜色的渲染。在属性中修改定位线，顶部标高，底部标高等内容来确定墙体的位置后，根据建筑中不同的墙体要求即可在轴网中绘制出墙体。若遇到构造奇特的墙体，可通过结构样板中绘制该墙体，修改好材质后导入到该建筑中调整位置。玻璃幕墙由幕墙网格、竖梃、嵌板等内容组成，嵌板可更改为门，窗族，进行门窗安放。门窗的建立必须在墙体建完的基础上进行，门窗的类型可在族库里找到，特殊门窗，例如百叶窗，可通过自己建立族来完成。

3.3.2 楼地面、屋顶的建立

楼地面、屋顶存在不同的形状及角度，一般楼地面、屋顶可通过调整角度完成对不同坡度楼板的进行建立。该建筑屋顶可通过对应轴网完成轮廓勾画，之后调整坡度以及在属性框中调整厚度以及材质，以及保温隔热层的材质及其渲染颜色即可。楼顶构件可在屋顶完成后叠加。

3.4 建立结构模型

以结构分析软件生成的结构施工图作为底图创建结构模型，将框架柱、梁、结构板、楼梯等结构构件从二维平面图形转换成三维实体，实现三维可视化设计。本工程内框架柱截面尺寸多采用850 mm×850 mm，其他部位柱截面尺寸按实际情况采用1200 mm×850 mm或1200 mm×1000 mm等其他尺寸，圆柱直径为800mm，框架梁截面尺寸采用500 mm×800 mm，外框架梁截面尺寸采用700 mm×1200 mm，次梁按跨度与荷载确定截面尺寸，多采用 250 mm×700 mm，400 mm×700 mm，400 mm×800 mm，大空间框架梁截面尺寸采用600 mm×1000 mm，次梁截面尺寸采用300 mm×900 mm，其他空间根据具体情况确定截面尺寸。复杂工程梁、柱截面尺寸和材质众多建立时需注意的是不同位置所对应的尺寸和材质，避免混淆。建立的结构模型如图3所示。

图3 结构模型

3.5 建立机电模型

机电工程包括排水工程、暖通工程、电气工程三大工程，建立机电模型必须在建筑构件完成的基础上完成，机电模型的建立比建筑模型的建立要复杂的多，建立时特别需要注意位置及其尺寸，如果安装存在偏差可能会使建成后存在误碰撞的情况。机电工程涉及大量的管线，为避免管线的“打架”，各专业间的协调设计显得尤为重要。根据各专业的施工图，建立三维信息模型。“以建代阅”对图纸进行初步校核，提前发现由于分散设计而造成的管线排布原则性错误，并进行针对性的更正。建立的给排水模型如图4所示。

图4 给排水模型

3.5.1 电气工程

电气安装工程包括电器设备、照明设备等设备安装，安装时须注意尺寸以及安装位置。线管通常建立在共架的位置，避开水管道的位置，桥架与液体管线宜分开布置或布置在其上方。

3.5.2 给排水工程

给排水工程包括给水系统，排水系统，污水系统，雨水系统，消防系统和喷淋系统等，安装时设置好管道相应的类型、长度尺寸以及材质，并用不同颜色将系统须区别开来。以便于设计检查和工程交底工作

3.5.3 管线综合排布

管线综合排布安装时必须遵守压力管避让重力自流管；管径小的管线避让管径大的管线；易弯曲管避让不易弯曲管；新建的管线避让现有的管线；检修次数少的和方便的管线避让检修次数多的和不方便的管线；工程量小的管线避让工程量大的管线；临时性管线避让永久性管线等管线综合原则[7]。在所建立的模型基础上进行符合上述规定的管线综合排布。

4 模型的分析与应用

4.1 模型整合

由于各专业的模型是分开建立的，信息数据比较分散。在Revit中软件利用“插入”选项卡下的“链接Revit”命令，通过原先统一的定位点（项目基点）将独立的模型准确的链接在一起[2，6]，形成一个全面完整的建筑信息模型，以便后期用于数据提取和信息传输，保证提取的数据准确和传输的信息完整。

4.2 碰撞检验

有了整合后全面完整的模型，使用Revit软件“协作”选项卡中的“碰撞检查”功能，选择要审查的图元，运行软件检测所审查图元中的构件之间是否存在冲突和碰撞。碰撞检验分两步进行[8]：

4.2.1 专业模型自检

土建模型自检。楼梯部位是设计中的重难点，首先对土建模型中的楼梯进行检验，分析楼梯净高是否满足要求和楼梯与结构板预留洞口间是否发生冲突，之后对结构柱安放位置进行检验，分析门窗位置与结构柱是否产生重叠。经过碰撞检测发现，B1F上至F1的自动扶梯与结构板开洞冲突等碰撞点。

机电模型自检。机电专业管线繁多复杂，二维设计时由于没有竖向维度，密集的管线极易产生“打架”问题，还会因管线的排布导致净高不足现象。经过碰撞检验发现，二三层间消防供水立管接口出现偏差、车库走道管道密集，如果风管满足净高要求，就会导致桥架与风管发生碰撞以及多处因管道密集导致净高不够的问题。

4.2.2 专业模型交互碰撞检测

将全专业模型进行交互碰撞检测，排查机电管线与土建预留的洞口是否有偏差、管线是否有穿梁或穿结构柱墙等构件的问题。经过检测发现，负二层汽车坡道处有500 mm×1200 mm高的梁，喷淋及消防管经过此处与梁产生冲突、负二层1200 mm×450 mm的新风管，在满足净高的前提下，穿过门GFMA−1522的洞口等一系列冲突。

碰撞检验完成后，将软件自动生成的冲突报告和建模过程中发现的设计错误一并整理之后反馈给设计人员，让设计人员能够进行针对性的修改，实现“设计零变更”（见表1）。

表1 部分碰撞点列举表

4.3 辅助图纸输出

根据设计方的给出修改方案，调整得到最优模型。在Revit中设置好所要生成图纸的一些参数，通过截取的方式得到相应的二维施工图纸，软件中可手动添加标注和设计说明，根据制图标准完善施工图纸，由此达到三维辅助出图的目的[1]。

5 结语

单纯的建立模型是毫无意义的，使用BIM技术建立模型的真正目的是要能够通过碰撞检查实现在布局合理情况下的零碰撞和三维辅助出图，在三维的视图中，调整管线排布，使管线综合排布合理，从而提高施工效率，减少错误。

综上所述，BIM新型建模技术的应用，更新了传统建筑设计的方式，是建筑行业的一次革新。运用BIM技术将传统设计输出的平面信息立体化，解决设计中出现的“错、漏、碰、缺”等问题，弥补了传统设计的不足，大幅提高设计质量，提升成果品质，让建筑设计迈向更高的层次。